不同灌溉方式對獼猴桃園土壤質量的影響

郭旭新，趙 英，樊會芳，高志永

(楊凌職業技術學院水利工程分院, 陜西 楊凌 712100)

0 引 言

獼猴桃(Actinidia Lindl)是20世紀人工馴化和選育較為成功的野生樹種之一，其果實具有較高的營養和醫療價值，被譽為“水果之王”，頗受廣大消費者的歡迎。陜西省獼猴桃人工栽種起步最早、發展最快、規模最大，主要分布在陜西關中渭河以南至秦嶺北麓[1]。至2009年11月，省內獼猴桃的種植面積已達4.25 萬hm2，總產量51.08 萬t，分別占全國的60%和70%[2]。

獼猴桃為喜陰喜濕樹種，對水分需求極大，耐旱能力差，對水分旱澇響應十分敏感，對土壤肥力要求較高。獼猴桃在陜西關中地區大規模種植且商品化時間短，目前該地區關于獼猴桃研究主要集中在疾病調查、探討與防治[3,4]，施肥對其生長、產量、品質和經濟效益影響[1,5-7]，栽培技術及栽植適宜區域劃分[8,9]，土壤養分調查和評價[10,11]。對其不同灌溉方式、不同灌溉方式水平下土壤質量研究尚未深入。因此，本研究于2016年3月，在眉縣金渠鎮田家寨村及奇峰合作社和楊凌蔣家寨獼猴桃果園布設微噴灌、地面灌和滴灌處理，測定了0～50 cm土層的土壤容重、田間持水量、土壤孔隙度、有機質、速效鉀、速效磷和堿解氮，分析了不同灌溉處理的土壤物理和化學性質，并利用土壤質量指數對不同灌溉處理土壤質量進行了評價，本研究對全面了解不同灌溉方式下獼猴桃土壤質量，篩選合理灌溉方式，提高獼猴桃產量，改善土地管理水平，提升果農經濟收入，營造良好果園生態環境意義重大，以期為獼猴桃節水灌溉技術及土地可持續性利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗分別布設于陜西省眉縣田家寨村(107°46′E，34°15′N)、奇峰果業(107°43′E，34°17′N)和楊凌蔣家寨(108°01′E，34°18′N)。該區域屬于關中平原，屬暖溫帶半濕潤氣候區，年平均氣溫12～13.6 ℃，年降水量為550～660 mm。受季風氣候影響，降水主要集中在夏秋季的7-9月，海拔高度320～924 m，年日照時數1 646～2 025 h，無霜期193～285 d，渭河由西向東橫貫關中平原，水資源豐富，便于灌溉，目前獼猴桃產業發展迅速，種植面積廣，經濟收入可觀，成為該區域主栽樹種[10]。

1.2 試驗設計

試驗布設在陜西省眉縣田家寨村、眉縣奇峰果業和楊凌蔣家寨，試驗處理選擇廣大果農長期在生產實踐中采用的微噴灌、地面灌和滴灌，3種處理，每個處理3個重復小區，每個小區面積為30×15 m2(長×寬)，供試獼猴桃品種選為關中地區種植面積最廣的“徐香”，株行距為2 m×4 m，于2016年3月進行布設試驗。本試驗灌溉制度及施肥情況按農戶傳統的管理方式進行，每個試驗小區進行除草處理。微噴灌和滴灌處理采用水肥一體化，地面灌溉處理施肥采用人工追施，其中氮肥(N)用量345 kg/hm2，磷肥(P2O5)用量473 kg/hm2，鉀肥(K2O)用量689 kg/hm2。各處理灌溉方案見表1。

1.3 土壤樣品采集

2017年10月在每個樣地的獼猴桃株間中部，沿長度方向5、15和25 m處利用100 cm3環刀和土鉆分別取樣，獼猴桃根系主要分布在0～50 cm土層范圍內，本文取樣土層深度定為0～50 cm，取樣步長為10 cm，每個樣地取樣15個。將取土完成的環刀口上下密封，從取土土鉆處取約150 g土樣裝入密封袋，每個樣上進行標注并送回試驗室對土壤的相關性質進行測定。

表1 獼猴桃園各處理灌溉方案(制度)Tab.1 Irrigation scheme (system) of experimental treatment for Kiwifruit plantations

1.4 土壤指標測定

土壤容重、田間持水量、孔隙度的測定為環刀法；有機質測定為重鉻酸鉀容量法；速效鉀測定為酸銨提取法、堿解氮的測定為堿解擴散法、速效磷的測定為碳酸氫鈉法[12,13]。

1.5 土壤質量評價

土壤質量不能夠直接測定，可以通過其他指標來間接計算，土壤質量指標是從環境管理和生產潛力兩個方面評價土壤可持續性或土壤健康狀況的條件、功能和性狀，土壤質量指標一般基于土壤理化性質和種植植被的生產力[14]。為選取具有代表性的指標對不同處理土壤質量進行評價，本文采用常用的主成分分析法對測定的7個指標進行篩選[15]。具體步驟為：①對測定數據進行主成分分析并選取特征變量大于1的主成分；②選取載荷因子最大的變量，同時選取載荷因子與最高載荷因子不超過10%的因子；③對選取的變量進行pearson相關分析，選取pearson相關系數大的變量。利用如下公式進行土壤質量綜合指數計算：

(1)

式中：SQI為土壤質量綜合指數；Wi為第i個因子權重系數；Si為第i個評價指標的隸屬度值；n為評價指標的個數。

Wi計算根據主成分分析的結果，該值為評價指標公因子方差占公因子方差之和的比例。Si根據隸屬函數,計算其隸屬度值。田間持水量、孔隙度、有機質、速效鉀、堿解氮和速效磷的隸屬度值采用S型隸屬度函數式(2)計算，指標越高表明土壤質量越好，但當指標達到一臨界值時，其效用趨于恒定。土壤容重的隸屬度值采用拋物線型隸屬函數式(3)計算，該指標在一定范圍內土壤質量最好，但當指標達到一臨界值時，其效用變差。評價指標的轉折點值、下限和上限和最適值采用黃土高原土壤質量評價值[16]。

S型隸屬度函數：

(2)

拋物線型隸屬函數：

(3)

式中：F(X)為隸屬函數；X為評價因素的實際指標值；X0分別為評價指標的轉折點值；a1和a2為評價指標的下限和上限值；b1和b2為最適值的上下界點。

1.6 數據分析

數據的統計分析采用Excel 2010和PASW Statistics 18.0軟件。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉處理對土壤物理性質影響

表2為不同灌溉處理下獼猴桃園不同土層土壤物理性質，由表2可知，3種灌溉處理土壤容重在0～30 cm各土層內，地面灌溉顯著高于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)，微噴灌和滴灌處理無顯著性差異；在30～50 cm各土層內，3種處理無顯著差異，在0～50 cm土層內表現為地面灌溉最大，均值為1.58 g/cm3，顯著高于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)。3種灌溉處理田間持水量在0～10 cm土層內微噴灌顯著高于地面灌溉和滴灌處理(P<0.05)；在10～50 cm各土層內，微噴灌和滴灌處理無顯著差異；在0～50 cm土層內表現為地面灌溉最小，均值為22.92%，顯著低于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)。3種灌溉處理土壤孔隙度在0～10 cm土層內無顯著差異；在10～30 cm各土層內，地面灌溉顯著低于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)；在30～50 cm土層內無顯著差異；在0～50 cm各土層內表現為地面灌溉最小，均值為40.69%，顯著低于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)。

表2 不同灌溉處理土壤物理性質方差分析Tab.2 Analysis of variance of soil physical properties by different treatments

注：不同小寫字母表示相同土層LSD檢驗差異達到顯著水平(P<0.05)，下同。

2.2 不同灌溉處理對土壤化學性質影響

表3為不同灌溉處理下獼猴桃園不同土層土壤化學性質，表3顯示，3種灌溉處理有機質在0～20 cm土層內表現為地面灌溉顯著大于滴灌(P<0.05)；在20～50 cm各土層內，微噴灌和地面灌溉處理無顯著性差異；在0～50 cm土層內均值變化范圍為1.43%～1.62%，無顯著差異。3種灌溉處理速效鉀在0～50 cm土層內差異顯著(P<0.05)，大小次序為地面灌>微噴灌>滴灌。3種灌溉處理速效磷在0～10 cm土層內差異顯著(P<0.05)；在10～40 cm各土層內，微噴灌和地面灌處理無差異，但二者顯著高于滴灌處理(P<0.05)；在40～50 cm土層內，微噴灌和滴灌處理無差異；在0～50 cm土層內均值變化范圍為9.35～38.51 g/cm3，微噴灌和地面灌溉處理無差異，但二者顯著高于滴灌處理23.45和29.16 g/cm3(P<0.05)。3種灌溉處理堿解氮在0～20 cm各土層內，微噴灌和地面灌溉處理無差異；在20～40 cm各土層內微噴灌和滴灌無差異；在40～50 cm土層差異顯著(P<0.05)；在0～50 cm土層內均值變化范圍為48.81～60.51 g/cm3，無顯著差異。

表3 不同灌溉處理土壤化學性質方差分析Tab.3 Analysis of variance of soil chemical properties by different treatments

2.3 不同處理土壤質量指數

為選取具有代表性的土壤變量對獼猴桃園不同灌水處理土壤質量進行評價，利用主成分分析法對7個土壤理化指標進行篩選，結果見表4。主成分分析顯示(表4)，KMO值為0.832，Bartlett球形度檢驗P值<0.001，說明變量之間存在相關性，可以進行因子分析；其中2個主成分特征值大于1且累計頻率達到86.743%(表4)，在第一主成分因子荷載中，堿解氮的荷載為0.967，達最大，首先選擇。而堿解氮分別與速效磷、速效鉀和有機質荷載值差值不超過10%，因此也被選擇作為代表性因子；在第二主成分因子荷載中，土壤容重和土壤孔隙度荷載絕對值達0.9以上，因此將二者選為代表性因子。

為了實現變量的約減和降維，找出綜合變量，并能反映原來變量的信息，對高因子載荷值進行Pearson相關分析，分析結果見表5。表5表明，第一主成分因子荷載中，土壤容重與土壤孔隙度相關系數為-0.975，為極顯著；第二主成分因子荷載中，有機質與速效鉀、速效磷、堿解氮的相關系數變化范圍為0.869～0.919，且極顯著，綜上，選擇土壤容重和有機質對獼猴桃園不同處理土壤進行質量指數計算，土壤容重和有機質權重分別為0.524和0.476。

不同處理土壤質量指數在不同土層顯著性分析表明(表6)，就各測定土層而言，在0～10 cm土層，微噴灌處理土壤質量指數為0.653，顯著高于地面灌溉和滴灌處理(P<0.05)；在10～30 cm各土層，微噴灌和地面灌溉處理無顯著差異；在10～50 cm各土層，滴灌處理土壤質量指數變化范圍為0.457～0.513，顯著高于微噴灌和地面灌溉處理(P<0.05)，是二者的1.21～1.81倍。就總土層而言(0～50 cm)，滴灌處理土壤質量指數較微噴灌和地面灌溉處理分別高0.047和0.099，顯著高于地面灌溉處理(P<0.05)，與微噴灌處理無顯著性差異。

表4 土壤質量指標的主成分因子荷載、公因子方差及權重Tab.4 Principal component factor load and common factor variance of soil quality indicators

表5 主要因子的Pearson相關系數Tab.5 Pearson correlation coefficient of key factors

注：**和*分別表示P<0.01和P<0.05。

表6 不同灌溉處理土壤質量指數在不同土層顯著性分析Tab.6 Analysis of variance of soil quality index with different treatments

3 討 論

土壤肥力是土壤功能和土壤質量本質屬性，科學評價土壤肥力，能使我們精準了解土壤本質，合理規劃和利用土地資源，為發展精準農業提供科學依據[17]。本研究表明關中獼猴桃園微噴灌、地面灌溉和滴灌在0～50 cm土層的速效鉀分別為229.59、366.66和109.16 mg/kg；速效磷分別為32.80、38.51和9.35 mg/kg；堿解氮分別為52.89、60.51和48.81 mg/kg；有機質分別為14.25、16.23和15.68 g/kg。結合《西安市土壤養分豐缺指標及推薦施肥指標體系》[18]對獼猴桃土壤養分評價標準，發現微噴灌和地面灌溉處理鉀和磷肥均處于極豐富或豐富等級，而氮肥和有機質均缺乏。過量施用磷肥和鉀肥，降低肥料的利用率，造成土壤環境惡化，形成次生鹽漬化，破壞微生態平衡，甚至影響果蔬的品種和產量[19-21]。Ju等[22]的研究表明，氮肥用量降低30%～60%，作物產量不會顯著降低，氮肥施用過量，作物產量并不會增加，經濟收入和肥料利用率反而降低[23]。根據獼猴桃養分評價標準判定滴灌處理的磷肥、鉀肥和氮肥均不足，有機質缺乏。滴灌滴水點附近是速效磷含量高值的分布區，也是速效鉀在短期淺層土壤集聚區[24]，本研究土樣的取樣點選在株距中間位置，可能導致滴灌處理測定土樣中鉀和磷肥偏低。施用有機肥可使土壤中的堿解氮和>0.25 mm水穩性團聚體含量等顯著增加，有機質增加達24.8%～29.8%[25-27]，有機肥與化肥配合施用可提高獼猴桃糖酸比、可溶性總糖及維生素C等[28]，是獼猴桃園土壤肥力管理的有效方法[6]。通過對比3種灌溉處理土壤質量指數發現滴灌處理使10～50 cm各土層土壤質量顯著高于微噴灌和地面灌(表6)，滴灌較地面灌溉處理顯著改善土壤通氣性和持水性(表2)。因此，建議今后獼猴桃園灌溉方式采用滴灌，并增加有機肥投入，從而達到改善土壤理化性狀，實現獼猴桃園土地生產力可持續性發展。

土壤質量的評價是農業土地可持續利用的一個重要思想和指標[14]，評價的關鍵在于指標的選擇，本研究利用主成分分析法將單指標的評價轉化為多指標綜合評價，全方位反映土壤質量水平，最終選取土壤容重和有機質作為評價獼猴桃園土壤質量指標。這與已有研究相一致[29,30]。土壤容重因土壤質地、有機質含量等不同而各異，它不僅影響養分和水分的供應，而且影響其他物質性質和變化過程[14]。土壤有機質為植物生長提供氮、磷、鉀和各種營養元素，也為土壤微生物活動提供能源，它通過對土壤物理、化學和生物性質的作用影響土壤肥力特性，是衡量土壤肥力的重要指標[31]。可見本研究選取的指標能夠綜合反映土壤質量，可為獼猴桃園土壤質量評價指標篩選提供科學依據。

4 結 論

在陜西關中3個獼猴桃園試驗地布設微噴灌、地面灌和滴灌處理，對試驗地0～50 cm土層的土壤容重、田間持水量、土壤孔隙度、有機質、速效鉀、速效磷和堿解氮進行了測定，分析了不同灌溉處理的土壤物理和化學性質，并利用土壤質量指數對土壤質量進行了評價，得到如下結論。

(1)微噴灌和滴灌處理土壤容重、土壤孔隙和田間持水量在0～50 cm各土層內無差異，在0～30 cm各土層均顯著優于地面灌溉處理(P<0.05)；地面灌溉處理的土壤孔隙和田間持水量在0～50 cm各土層均低于微噴灌和滴灌處理，而土壤容重在0～50 cm各土層均高于微噴灌和滴灌處理。

(2)3種處理的速效鉀在0～50 cm各土層內存在顯著差異(P<0.05)，其大小次序為地面灌溉>微噴灌>滴灌；微噴灌和地面灌溉處理的速效磷在10～40 cm土層無差異，顯著高于滴灌(P<0.05)；微噴灌和地面灌溉處理鉀和磷肥在0～50 cm土層內均處于極豐富或豐富等級；地面灌溉處理的有機質和堿解氮在0～50 cm各土層均高于微噴灌和滴灌處理。

(3)土壤容重和有機質是反映獼猴桃園土壤質量的綜合指標，其權重分別為0.524和0.476。

(4)微噴灌處理土壤質量指數在0～10 cm土層分別顯著高于地面灌溉和滴灌處理(P<0.05)；滴灌處理土壤質量指數在10～50 cm各土層顯著高于微噴灌和地面灌溉處理(P<0.05)，是二者的1.21～1.81倍。